PERBANDINGAN ANALISIS PRESSURE DROP PADA PIPA LENGKUNG 900 DAN 1350 MELALUI MODIFIKASI BAGAN MOODY
UNTUK LAJU ALIRAN Muhammad Iqbal Sulthoni
Pendidikan Fisika, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Jember iqbal.sulthoni@ymail.com
ABSTRAK
Aliran fluida dalam pipa akan mengalami penurunan tekanan atau pressure drop seiring dengan panjang pipa ataupun disebabkan oleh gesekan dengan permukaan saluran, dan juga ketika aliran melewati sambungan pipa, belokan, katup, difusor, dan sebagainya. Tujuan penulisan artikel ini adalah menganalisis pengaruh sudut kelengkungan pipa terhadap pressure drop dalam sistem pipa melalui modifikasi bagan moody untuk laju aliran. Metode penelitian ini berupa eksperimen murni. Hasil analisis menyimpulkan bahwa pressure drop pada fitting elbow 1350 (0,0002795527 m) lebih besar dari pada fitting elbow 900 (0,0001956547 m) dikarenakan pada fitting elbow1350 membutuh kan pipa sepanjang 1m untuk
mencapai titik pada kedudukan 0,7 meter dari acuan dasar sistem, berbeda dengan fitting elbow 900 yang hanya membutuhkan pipa sepangjang 0,7 meter untuk mencapai kedudukan yang sama dari dasar acuan sistem. Hal ini menyebabkan adanya penurunan tekanan yang sangat signifikan karena perbedaan jarak tempuh tersebut
Kata kunci: Pressure Drop, Bagan Moody PENDAHULUAN
Aliran zat cair nyata (riil) lebih rumit bila dibandingkan dengan aliran zat cair ideal. Definisi dari zat cair riil adalah zat cair yang mempunyai kekentalan (viscosity), sedangkan zat cair ideal adalah zat cair yang tidak mempunyai kekentalan. (Streeter, 1985:110)
Kekentalan adalah sifat pada zat cair untuk dapat menahan tegangan geser. Rapat massa dan berat jenis adalah sifat zat cair yang dapat ditentukan pada kondisi zat cair tersebut statis (diam), sedangkan
kekentalan, μ (mu) adalah sifat zat
cair yang hanya dapat dinyatakan pada kondisi dinamik. Pada zat cair yang bergerak, tegangan geser akan bekerja diantara lapisan-lapisan zat cair, dan menyebabkan kecepatan yang berbeda-beda pada lapisan-lapisan zat cair tersebut. Aliran zat cair riil juga disebut aliran viskos. (Kodoatie, 2002:45)
Penggunaan pipa banyak digunakan oleh umum, baik perusahaan-perusahan sebagai pendistribusian air minum, minyak maupun gas bumi. Demikian juga
dengan kebutuhan air pada rumah tangga, penggunaan pipa ini paling banyak digunakan baik untuk penyaluran air bersih maupun sanitasi. dikarenakan pipa merupakan sarana pendistribusian fluida yang murah, memiliki berbagai ukuran dan bentuk penampang. Baik berpenampang lingkaran maupun kotak. Material pipa bermacam-macam, yaitu baja, plastik, PVC, tembaga, kuningan, acrylic, dan lain sebagainya.
Kebutuhan air yang harus dipenuhi akan menentukan tipe dan ukuran sistem distribusi jaringan pipa yang di inginkan. Bila tekanan rendah maka akan menimbulkan masalah dalam pendistribusian jaringan pipa. Namun bila tekanan terlalu besar akan menyebabkan kehilangan energi.
Fenomena–fenomena dalam fluida dan pendistribusiannya dapat dipelajari dalam ilmu fisika atau secara spesifik dapat di dalami dalam ilmu mekanika fluida dan perpipaan. Dan dalam pendistribusian air tersebut sering sekali dipakai sambungan pipa (fittings), pipa lengkung, maupun flange. Tetapi dalam pendistribusian fluida yang digunakan untuk membelokan arah aliran fluida dipakailah pipa lengkung atupun elbow. (Kodoatie, 2002:56)
Pipa lengkung maupun elbow terdiri dari bermacam-macam klasifikasi, tergantung dari radius
lengkung, sudut lengkung, maupun ada atau tidaknya tangent. Pada dasarnya aliran fluida dalam pipa akan mengalami penurunan tekanan atau pressure drop seiring dengan panjang pipa ataupun disebabkan oleh gesekan dengan permukaan saluran, dan juga ketika aliran melewati sambungan pipa, belokan, katup, difusor, dan sebagainya. Dan pada semua pipa lengkung fluida akan mengalami pressure drop, tetapi yang menjadi catatan perbedaan besar pressure drop tersebut terhadap sudut kelengkungan dari fitting sistem pipa tersebut. Dan yang akan kami analisis ialah pada fitting dengan kelengkungan 900 dan 1350 .
METODE PENELITIAN
1. Peralatan yang digunakan a. Spesifikasi pompa air
SHIMIZU (PS-116 BIT) Voltage/Hz :220/50 Kapasitas Maksimal :29 l/min Daya Hisap : max 9 m Ukuran pipa : 1" x 1" (25.4) Daya Output Motor
: 125 W Konsumsi Arus Listrik:
1.3 A
Head Max : 30 m RPM
b. Spesifikasi pipa wavin tipe AW
Pipa hisap : 1 inch Pipa tekan : ¾ inch
Fitting elbow : 900 dan 1350
c. Roll meter
2. Prosedur pengujian a. Mempersiapkan alat
penelitian
b. Menghidupkan pompa air c. Mengatur debit masukan d. Mengamati jarak keluaran
air pada fitting elbow 90 dan 135
e. Mencatat pada tabel percobaan
f. Menganalisis data hasil percobaan
3. Desain alat penelitian
4. Teknik analisis data
Tabel 2.1. Tabel penyajian data untuk pressure drop pada pipa lengkung 1350 .
fitting elbow1350 X V Re
d f Α Hf
Pengukuran I Pengukuran II Pengukuran III
Tabel 2.2. Tabel penyajian data untuk pressure drop pada pipa lengkung 900
fitting elbow900 X V Re
d f α Hf
Pengukuran I Pengukuran II Pengukuran III
Setelah melakukan pengukuran pada alat dan bahan maka diketahui :
1. Menghitung niloai kecepatan aliran (v)
𝑉 = √𝑋22𝑔
4𝐻
2. Menghitung nilai bilangan reynolds (Red)
𝑉 =𝑣 𝑅𝑒𝑑 𝑑 3. Menghitung nilai f 𝑓 = 0,25 [log (𝑘/𝑑 3,7 + 5,74 𝑅𝑒𝑑0,9)] 2 4. Menghitung nilai α. ∝=1 2f Red 2 5. Menghitung kerugian tinggi-tekan karena gesekan ∝=gd3hf 𝐿𝜈2
HASIL DAN PEMBAHASAN Pada dasarnya penurunan energi tinggi tekan (pressure drop) dipengaruhi oleh beberapa hal yaitu panjang pipa, diameter pipa, viskositas kinematik zat cair, percepatan gravitasi dan yang paling penting adalah perbedaan tekanan pada ujung-ujung pipa tersebut. Untuk mengetahui perbedaan tekanan pada sistem pipa digunakan modifikasi bagan moody untuk laju aliran agar perhitungan matematisnya lebih mudah.
Aliran fluida (air) didalam pipa digolongkan menjadi tiga jenis, 1.laminer, 2.transisi, 3.turbulen. Analisis untuk mencari nilai pressure drop dari ketiga jenis aliran tersebut sangat berbeda tergantung dari bilangan reynolds yang dihasilkan
dari sistem aliran tersebut. Bilangan Reynold adalah bilangan yang tidak mempunyai dimensi, yang menyatakan perbandingan gaya-gaya inersia terhadap gaya-gaya kekentalan. Percobaan yang dilakukan pada tahun 1884 oleh
Osborn Reynolds dapat
menunjukkan sifat-sifat aliran laminar dan turbulen. Dalam aliran laminer partikel-partikel zat cair bergerak di sepanjang lintasan- lintasan lurus, sejajar dalam lapisan-lapisan atau laminae. Besarnya kecepatan-kecepatan dari laminae yang berdekatan tidak sama. Aliran laminer diatur oleh hukum yang menghubungkan tegangan geser ke laju perubahan bentuk sudut, yaitu hasil kali kekentalan zat cair dan gradien kecepatan atau
=dv/dy ( 1 1)
Kekentalan zat cair tersebut dominan dan oleh karenanya mencegah setiap kecendurungan menuju ke kondisi turbulen. Sedangkan Dalam aliran turbulen partikel - partikel bergerak tidak teratur ke semua arah. Tegangan geser untuk aliran turbulen dapat dinyatakan sebagai dy dv ) ( ( 0-1)
dimana (eta) = sebuah faktor yang tergantung pada rapat fluida dan gerakan fluida. Faktor pertama () menyatakan efek - efek dari gerak viskos dan faktor kedua () menyatakan efek - efek dari gerak turbulen. (Streeter, 1985:120)
Untuk meliputi daerah kekasaran transisi, pada tahun 1939, Colebrook memadukan relasi dinding halus dan relasi
kasar-sempurna menjadi suatu rumus interpolasi dengan cerdik. (Kodoatie, 2002:70) f R D k f e 51 , 2 7 , 3 log 2 1
Ini merupakan rumus rancang-bangun ya ng diterima untuk gesekan bergolak. Rumus ini di grafikkan oleh Moody pada tahun 1944 menjadi sekarang apa yang dikenal dengan nama bagan
Moodyuntuk gesekanpipa.
Barangkali bagan Moody merupakan gambar yang paling terkenal dan berguna dalam mekanika fluida. Bagan ini seksama dengan toleransi ketelitian ±15% untuk perhitungan rancang-bangun. Bagan tersebut dapat dipakai untuk aliran pipa yang bundar ataNu tidak bundar
Gambar 1. Bagan moody
Dan dapat pula dipakai untuk aliran saluran terbuka. Bahkan datanya dapat pula disesuaikan untuk memperoleh pendekatan untuk aliran lapisan batas (Streeter, 1985:129)
Bagian yang diarsir dalam bagan Moody menunjukan daerah
transisi dari aliran berlapis ke aliran bergolak. Di daerah ini, bilangan Reynolds berkisar dalam selang 2000 < Re < 4000, tidak ada faktor gesekan yang terandalkan.
Perhatikan bahwa kurva
kekasarannya mendatar di daerah kasar-sempurna disebelah kanan garis putus-putus. Dari hasil-hasil pengujian dengan pipa komersial, Moody memberikan nilai-nilai kekasaran rata-rata pipa, yang disajikan dalam tabel berikut ini.
Tabel 1.1 Nilai-nilai kekasaran rata-rata Moody
Bahan (dalam keadaan baru) E Ft Mm Baja keling 0,003-0,03 0,9-9,0 Beton 0,001-0,01 0,3-3,0 Bilah tahang-kayu 0,0006-0,003 0,18-0,9 Besi cor 0,00085 0,26 Besi bersalut-seng 0,0005 0,15 Besi-cor beraspal 0,0004 0,12 Baja komersial
atau besi tempa 0,00015 0,046 Tabung/pipa
tarik 0,000005 0,0015
Kaca “halus” “halus”
Bagan Moody dapat dipakai untuk memecahkan hampir setiap soal yang berhubungan dengan rerugi gesekan, dalam aliran melalui pipa yang
panjang. Tetapi banyak soal
semacam itu memerlukan
pengulangan beberapa kali, dan
perhitungannya dengan
menggunakan bagan itu harus diulang-ulang karena bagan Moody yang standar pada dasarnya adalah bagan rerugi-hulu. Asumsinya ialah, bahwa semua peubah diketahui, lalu Red dihitung, kemudian masuk kedalam bagan untuk mendapatkan f , dan dari sini hf dihitung. Berikut ini adalah soal pokok yang lazimnya kita jumpai dalam perhitungan aliran pipa :
1. Diketahui d, L, dan V atau Q,
ρ, µ, dan g, harus ditentukan rerugi
hulu hf
2. Diketahui d, L, hf, ρ, µ dan
g, harus ditentukan kecepatan V atau laju aliran Q
3. Diketahui Q, L, hf, ρ, µ dan
g, harus ditentukan garis tengah d dari pipa
Misalkan kita menghadapi soal 2, jadi kecepatan tidak diketahui. Maka kita harus memisahkanV dari f atau Redbuat
lagi bagan Moody. Hasil kali f dan Red2 menyingkirkan kecepatan
∝=1
2f Red
2 =gd3hf 𝐿𝜈2
Kita dapat memakai parameter e/d sebab d diketahui. Sekarang kita membuat grafik Red versus
parameter baru yaitu α, ini untuk berbagai nilai e/d dalam gambar (?). Dengan data yang diketahui kita
dapat menghiung α dan e/d, memakai
bagan itu untuk mencari Red, dan
dari ini menghitung kecepatan V dan laju aliran Q = 𝜋𝑉𝑑
2
4 . Tidak ada iterasi apapun yang harus dilakukan. Gambar grafik
∝= 𝑅𝑒𝑑2 𝑓
2= 𝑔𝑑3ℎ𝑓
𝐿𝜐2
Bukan ini saja, tetapi bagan itu tidak benar-benar perlu, sebab bila α dimasukan ke dalam rumus colebrook, persamaan ?,
𝑅𝑒𝑑 =
−√8 ∝ 𝑙𝑜𝑔 (𝑒/𝑑3,7 +2,51
√2∝)
Jadi perhitungan itu dapat dikerjakan segera, dan bagan terutama berfungsi untuk meyakinkan kita secara visual. Untuk aliran berlapis, rumus Hagen-Poiseulille f = 64 𝑅𝑒𝑑 diatur ulang menjadi. 𝑅𝑒𝑑 = ∝ 32
Berdasarkan penelitian yang sudah dilakukan data yang bisa disajikan ialah sebagai berikut
Tabel 2.1. Tabel penyajian data untuk pressure drop pada pipa lengkung 1350
fitting elbow1350 X
(cm) V
Pengukuran I 34.7 0,923 0.019692 × 106 33,9249 0.006588 × 1012 0,0002795527 Pengukuran II 34.6 0,923 0.019692 × 106 33,9249 0.006588 × 1012 0,0002795527
Pengukuran III 34.7 0,923 0.019692 × 106 33,9249 0.006588 × 1012 0,0002795527
Tabel 2.2. Tabel penyajian data untuk pressure drop pada pipa lengkung 900
fitting elbow900 X
(cm) V (m/s) Red f α Hf (m)
Pengukuran I 3,46 0,917 0.019627 × 106 33,9847 0.0065876 × 1012 0,0001956547
Pengukuran II 3,46 0,917 0.019627 × 106 33,9847 0.0065876 × 1012 0,0001956547
Pengukuran III 3,46 0,917 0.019627 × 106 33,9847 0.0065876 × 1012 0,0001956547
Pada tabel hasil percobaan diatas dapat dijelaskan bahwa untuk fitting elbow 1350 memiliki nilai hf sebesar
0,0002795527 m, dan pada fitting elbow 900 bernilai 0,0001956547 m.
Pressure drop pada fitting elbow 1350 lebih besar dari pada fitting elbow 900 dikarenakan pada fitting elbow1350 membutuh kan pipa sepanjang 1m untuk mencapai titik pada kedudukan 0,7 meter dari acuan dasar sistem, berbeda dengan fitting elbow 900 yang hanya membutuhkan pipa sepangjang 0,7 meter untuk mencapai kedudukan yang sama dari dasar acuan sistem. Hal ini menyebabkan adanya penurunan tekanan yang sangat signifikan karena perbedaan jarak tempuh tersebut. Faktor gesekan dari pipa itu sendiri bisa diabaikan karena peneliti membuat dua sistem dengan jenis pipa yang sama (wavin AW ¾).
KESIMPULAN
Pressure drop pada fitting elbow 1350 (0,0002795527 m) lebih besar dari pada fitting elbow 900 (0,0001956547 m) dikarenakan pada fitting elbow1350 membutuh kan pipa sepanjang 1m untuk mencapai titik pada kedudukan 0,7 meter dari acuan dasar sistem, berbeda dengan fitting elbow 900 yang hanya
membutuhkan pipa sepangjang 0,7 meter untuk mencapai kedudukan yang sama dari dasar acuan sistem. Hal ini menyebabkan adanya penurunan tekanan yang sangat signifikan karena perbedaan jarak tempuh tersebut. Besarnya nilai tak berdimensi alfa juga terpengaruh karena adanya perbedaan reynolds number walaupun bernilai kecil. Kekasaran dari pipa itu sendiri bisa diabaikan karena peneliti membuat dua sistem dengan jenis pipa yang sama (wavin AW ¾).
DAFTAR PUSTAKA
WHITE, F.M., Viscous Fluid Flow, 2nd Ed. MCGraw-Hill (1991) BENEDICT, R. P., Fundamentaol f
Pipe Flow, JohnW iley and Sons( 1980)
KODOATIE, R. J., Hidrolika Terapan -Aliran pada saluran Terbuka dan Pipa,PenerbitA ndi, Yogyakarta,( 2002) ., Fluid Mechanics, 8ili Edition, McGrawHill(1985)
DHA1T, G., Finite Element Modeling of Fluids in Computational FluidDynamics, Lecture Series 1992-04, yon Karman Institute for Fluid Dynamics(1992).
CONNOR, J.J., BREBIA, C.A., Finite Element Technicques for
Fluid
Flow,Newnes-ButterworthsL, ondon (1976) Raswari, Teknologi dan Perencanaan
Sistem Perpipaan,
UniversitasIndonesia, Jakarta, 1987.
Munson, Bruce R., and Young, Donald F., Mekanika Fluida, Erlangga, Jakarta, 2005.
M. Olson, Reuben., and Wright, Steven J., Dasar- Dasar Mekanika Fluida Teknik, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta
STREETER, V.L., WYLIE, E.B , 1993
